燃料电池电动汽车氢气消耗量测量方法研究

兰昊 郝冬 王晓兵

摘  要：本文针对燃料电池电动汽车中氢气消耗量，分析了质量法、压力温度法以及流量法的优缺点，并给出了具体的测试方案以及测试数据，研究了三种方法的可行性与等效性，质量法、压力温度法以及流量法都可以完成燃料电池电动汽车的氢气消耗量测试。质量法造价昂贵，但是精度较高;压力温度法测量成本低，但是无法测量气瓶内部温度;流量法测量简单高效，但是低流量时精度偏低。压力温度法和流量法在目前的条件下有2.5%左右的误差。

关键词：氢气消耗量;质量法;压力温度法;流量法

中图分类号：U463      文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2021）03-0014-06

The Equivalent Study of Mass Method， P/T Method and Flow Method In Hydrogen Consumption Measurement

LAN Hao， HAO Dong， WANG Xiao-bing

（China Automotive Technology Research Center Co.， Ltd.， Tianjin 300300， China）

Abstract： In this paper， the advantages and disadvantages of the mass method， pressure temperature method and flow method are analyzed in the measurement of hydrogen consumption in fuel cell electric vehicles， and the specific test scheme and test data are given， and the feasibility and equivalent of the three methods are studied. Quality， pressure temperature and flow methods all complete hydrogen consumption tests for fuel cell electric vehicles. The mass method is expensive， but the accuracy is high， the P/T method is cheap， but the internal temperature of the cylinder cannot be measured directly. The flow method is simple and efficient， but the accuracy is low at low flow rate. The P/T method and flow method have an error of about 2.5% under the current conditions.

兰   昊

硕士研究生，现就职于中国汽车技术研究中心有限公司，任工程师，从事燃料电池电动汽车标准化研究工作。

前    言

近年来，燃料电池电动汽车产业以及技术快速发展，与此同时，对于燃料电池电动汽车的评价技术也提出了更高的要求。氢气消耗量是评价燃料电池电动汽车能耗的重要指标，2017年，国家标准化管理委员会发布了GB/T 35178-2017《燃料电池电动汽车 氢气消耗量 测量方法》[1]，其中规定了氢气消耗量的三种方法，分别为质量法、压力温度法以及流量法，对于规范燃料电池电动汽车的氢气消耗量有着重要的指导作用，但是该标准中并没有给出具体的测量方案以及三种测试方法的等效性分析;ISO 23828：2013《燃料电池电动汽车能量消耗量测量方法》[2]给出了四种测量方法，包括质量法、压力温度法、流量法以及电流法，由于电流法假设了燃料电池堆的氢气利用率为100%，应用场景有限，因此通常采用其它三种测量方法，同样ISO标准中没有给出这四种测量方法的具体测试方案以及等效性。

本文研究了现有氢气消耗量的测量方法，分析了質量法、压力温度法以及流量法的优缺点，并给出了具体的测试方案以及测试数据，研究了三种方法的可行性与等效性。

1    现有测量方法分析

1.1   质量法

1.1.1 原理及测试方案

质量法的测量原理简单直接，如公式（1）所示，采用试验前后测量的储氢瓶质量差即可计算出氢气消耗量;

w=g1-g2                    （1）

其中：

w为试验工况循环期间氢气消耗量（g）;g1为试验开始时测量的储氢瓶质量（g）;g2为试验结束时测量的储氢瓶质量（g）。

质量法的测试示意图如图1所示，测量过程中需要采用外接气瓶的方式进行测量，对于允许从加氢口接入电堆，并且可以关闭储氢气瓶出入口的车辆，可以采用车辆的加氢口作为管路与车辆的接口，某些类型车辆，打开加氢盖之后会切断燃料电池系统动力输出，这种情况下，可以通过刷新整车程序修正。对于无法实现直接从加氢口提供动力源，或者无法实现关闭储氢气瓶出入口的车辆，需要采用改装的方式接入燃料电池电堆氢气入口端。

1.1.2 优缺点分析

质量法的优点是考虑了所有的氢气消耗包括氢气泄漏、渗透、吹扫、排气，同时测量结果不需要进一步修正，在测试精度足够高的情况下，质量法可以作为压力温度法和流量法的评价基准。

质量法的缺点是需要采用外接气瓶的方式进行测量，每次测量都需要断开管路，并且对测试环境要求也较为苛刻，如图2所示，在质量法测量的过程中，质量秤需要配备风挡以及防振动底座，同时操作中应该注意对于气瓶表面保护漆的保护，由于氢气分子量较小，试验过程中的剐蹭可能对试验结果产生较大的影响。

1.2   压力温度法

1.2.1 原理及测试方案

试验前后，分别测量气瓶气体的压力和温度，代入公式（2），计算出氢气消耗量：

其中：

w为试验工况循环期间氢气消耗量（g）;m为氢元素分子的摩尔质量（2.016）;v为储氢瓶的水容积和管路容积（L）;R为储氢瓶中气体的常量0.0083145 （MPaL/mol K）;P1，T1为试验前储氢瓶内气体的压力（MPa）和罐体温度（K）;P2，T2为试验后储氢瓶内气体的压力（MPa）和罐体温度（K）;Z1为在P1，T1条件下的氢气压缩因子;Z2为在P2，T2条件下的氢气压缩因子。

对于一组确定的温度T和压力P，利用公式（3）可以求出一个对应的压缩因子Z。

其中：p为压力（MPa）;T为温度（K）;vij为常数，见表1。

其测量示意图如图3所示，同样需要采用外接气瓶的方式进行测量。

在实际测量过程中，无法测量到气瓶内部温度，因此需要采用外部温度传感器，这对于温度传感器的测量点也提出了要求，气瓶不同位置的外部温度与内部温度的一致性存在较大差异，因此需要与标准流量表对比从而进行测量点选择。

在天然气计费等计量领域，通常会采用音速喷嘴气体流量计作为标准表，其具有性能稳定、重复性好、精度高等优点[4]。

音速喷嘴结构如图 4所示，P0为音速喷嘴的上游入口压力，P1为音速喷嘴的下游出口压力，比值P1/P0为背压比[5]。

背压比大于临界压力比的时候，通过喷嘴喉部的气体流速随背压比的减小而增加，当背压比等于临界压力比的时候，会达到最大流速——音速，此时即使进一步减小P1，流速也将保持不变，这是由于这样的定速特性，所以音速喷嘴可以用来高精度测量气体流量，基于此，提出以下测量方案，在流量计之后安装压力控制器以及音速喷嘴，后接真空泵，保证音速喷嘴可以达到临界状态，在该试验中，设定氢气的流量为0.5L/s。

气瓶表面需要安装外部温度传感器，布置如图6所示，试验过程中，采用公式4采集并测量

的数值。

w1为试验工况循环期间氢气消耗量（g）;m为氢元素分子的摩尔质量（2.016）;v为储氢瓶的水容积和管路容积（L），47L;R为储氢瓶中气体的常量0.0083145 （MPaL/mol K）;P0，T0为试验前储氢瓶内气体的压力（MPa）和罐体温度（K）;Pt，Tt试验后某一时刻下储氢瓶内气体的压力（MPa）和罐体温度（K）;Z0为在P0，T0条件下的氢气压缩因子;Zt为在Pt，Tt条件下的氢气压缩因子。

w2为氢气消耗量（g）;m为氢分子摩尔量（2.016）;Qb为气体体积流量（L/s），0.5L/s。

当    为0时，此时气瓶内外的温度一致，测量结果如图6所示，针对该款气瓶，T5和T6测量点5分钟之后即可达到内外温度相同，其他测量点需要60min左右。

1.2.2 優缺点分析

压力温度法的优点是综合考虑了所有的氢气消耗，包括氢气泄漏、渗透、吹扫、排气，同时环境适应性影响强，测量设备成本较低，其缺点在于实际的测量过程中，难以测量气瓶内部的温度，需要采用气瓶表面温度进行替代，而气瓶表面温度传感器的布置点选择的过程相对复杂。

1.3   流量法

1.3.1 原理及测量方案

流量计种类众多，常见的流量计根据工作原理不同，可以热式流量计、容积式流量计、科式流量计、超声流量计等，来自日本汽车研究所JARI的研究表明，以上种类的流量计在低流量的时候，都存在较大误差。

如图7所示，热式流量计的低流量偏差较大，这是由于热式流量计采用了温差的计算原理导致的，同时其偏差为单偏差，会导致流量积分过程中误差进一步加大。超声流量计更适合测量液体流量，普通的超声流量计无法完成气体流量测量，如图8所示。容积式流量计具有测量精度高的优点，但是其结构复杂、体积庞大，同时使用压力通常为0～0.5MPa，使用范围受限。科式流量计一方面适用压力范围较大，可以满足10MPa以内的高精度测量，同时其低流量时的误差具有对称性，有利于积分计算时减少误差，并且其设备体积相对较小。

试验的过程中，采用科式流量计，如果采用了体积流量计，则代入公式（7），计算试验中氢气的消耗量（氢气体积）：

其中：

w为氢气消耗量（g）;m为氢分子摩尔量（2.016）;Qb为气体体积流量（L/s）。

如果使用质量流量计，则代入公式（8），计算氢气消耗量（氢气质量）：

其中：

w为氢气消耗量（g）;Qm为气体质量流量（g/s）。

其测量示意图如图 8所示，与质量法和压力温度法不同，如果试验室规划了氢气专用管路，流量分析法可以直接采用外接气源的方式进行测量。

1.3.2 优缺点分析

流量法的优点是综合考虑了所有的氢气消耗，包括氢气泄漏、渗透、吹扫、排气，并且可以在线实时测量，其缺点在于氢气的质量流量在低流量的时候误差较大，需要找到适合燃料电池电动汽车的氢气流量计。

2    质量法与压力温度法对比

2.1   设备参数

如1.2所述，压力温度法最终采用了计算值作为结果，为了准确评估压力温度法的准确度，需要高精度质量秤做标准，其参数如表2所示：

2.1   测量结果

2.1.1 质量法

为了进一步提高测量准确度，质量法在工况循环之前和工况循环之后，分别进行五次测量，如表3、表4所示，计算结果应排除最大值和最小值，然后计算剩余三组数据的平均值，作为最终测量值。

计算结果应排除最大值和最小值，然后计算剩余三组数据的平均值，作为最终测量值56760.64g。

计算结果应排除最大值和最小值，然后计算剩余三组数据的平均值，作为最终测量值56651.08g。

根据公式（1）计算氢气消耗量为109.56g。

2.1.2 压力温度法

试验前后测量的压力和温度数值如表5、表6所示，其中压缩因子Z是根据公式（3）计算所得。

压缩因子反映了同样条件下真实的气体摩尔体积与理想气体摩尔体积的比值，它的大小反映出真实气体偏离理想气体的程度。

2.1.3 结果比较

在通常的压力温度法计算中不考虑气体的压缩因子，但是对于氢气介质而言，如果不考虑压缩因子，会导致较大的偏差，如表7所示，不考虑压缩因子的影响，误差为19.19%;考虑压缩因子后，误差为2.7%。

3    质量法与流量法对比

3.1   设备参数

与压力温度法最终采用的是计算值不同，流量法为测量值，因此可以采用一般精度的质量秤进行测量，也可评估流量法的准确性。

3.2   测量结果

3.1.1 质量法

为了进一步提高测量准确度，质量法在工况循环之前和工况循环之后，分别进行五次测量，最后计算结果应排除最大值和最小值，然后计算剩余三组数据的平均值，作为最终测量值，图5为测量现场图。

计算结果应排除最大值和最小值，然后计算剩余三组数据的平均值，作为最终测量值7771.4g。

计算结果应排除最大值和最小值，然后计算剩余三组数据的平均值，作为最终测量值7733.0g。

根据公式（1）计算氢气消耗量为38.4g。

3.1.2 流量法

质量流量计可以实时记录氢气流量，根据公式（5）進行积分计算后其质量为37.47g，如图6所示：

3.1.3  结果比较

采用质量流量计的测量值37.47g，与质量法的测量值38.4g相比，误差为2.42%。

4    结论

本文针对燃料电池电动汽车中氢气消耗量常用的质量法、压力温度法、流量法进行了分析对比，提出了三种测量方法的试验方案，验证了三种方法的可行性，总结全文，可以得出以下结论：1）质量法、压力温度法以及流量法可以完成燃料电池电动汽车的氢气消耗量测试。2）质量法、压力温度法以及流量法各有优缺点，质量法造价昂贵，但是精度较高;压力温度法测量成本低，但是无法测量气瓶内部温度;流量法测量简单高效，但是低流量时精度偏低。3）压力温度法和流量法在目前的条件下有2.5%左右的误差。

参考文献：

[1]GB/T 35178-2017《燃料电池电动汽车 氢气消耗量 测量方法》.

[2]ISO 23828：2013 Fuel Cell Road Vehicle-Energy Consumption Measurement Vehicles fueled with compressed hydrogen.

[3]日本汽车研究所. http：//www.jari.or.jp.

[4]黄敏，任佳，陈密.成都分站音速喷嘴标准装置能力提升及验证[J].工业计量，2020，30（05）：59-62.

[5]王焕玲，雷阳.负压法音速喷嘴气体流量标准装置的设计[J].计量与测试技术，2017，第44卷（3）： 92-93.